Ź ródła ciepła i energii elektrycznej

Transkrypt

1 Ź ródła ciepła i energii elektrycznej Prawne, techniczne i ekonomiczne aspekty doboru gazowego układu kogeneracyjnego opartego o silniki tłokowe w przedsiębiorstwach energetyki cieplnej Legal, engineering and economic aspects of selection of gas cogeneration system based on piston engines in thermal power companies Marek Fałtyn Wstęp Energetyka cieplna w Polsce otrzymała dużą liczbę bodźców do dokonania zmian związanych z wytwarzaniem i przesyłem ciepła. Wsparcie wytwarzania energii elektrycznej w wysokosprawnej kogeneracji certyfikatami pochodzenia pobudziło do zastanowienia się nad rozszerzeniem profilu firmy i zajęciem się również wytwarzaniem energii elektrycznej. Innym istotnym czynnikiem jest kształtowanie się ceny węgla i innych paliw w stosunku do ceny gazu ziemnego lub biogazu. Burzliwym zagadnieniem jest przyjęty pakiet klimatyczny i przydział darmowych uprawnień emisji CO 2 dla ciepłownictwa. W związku z dwukrotnie mniejszą emisyjnością gazu ziemnego w stosunku do węgla kamiennego, przydział uprawnień i prognozowana cena uprawnienia ma istotny wpływ na rentowność inwestycji i przyszłą taryfę na ciepło. Dodatkowe wsparcie finansowe w postaci dotacji, preferencyjnych kredytów oraz możliwości pozyskania partnera prywatnego w realizacji inwestycji skłania do pytania nie czy? ale kiedy? i jak? dokonać zmian w profilu działalności firmy i źródle wytwarzania ciepła. Aby odpowiedzieć na te pytania należy przeanalizować uwarunkowania prawne, techniczne i ekonomiczne budowy układów skojarzonego wytwarzania ciepła. W artykule przedstawiono podstawowe zagadnienia, które należy uwzględnić w celu właściwego przygotowania inwestycji i doboru układu kogeneracyjnego. Uwarunkowania prawne budowy nowych układów kogeneracyjnych Przy wykonywaniu analizy techniczno ekonomicznej nie da się pominąć obowiązujących aktów prawnych. Warto również wziąć pod uwagę planowane zmiany w prawie energetycznym oraz dostrzegalne tendencje w celu późniejszego dokonania rzetelnej analizy ryzyka. Obowiązujące akty prawne wpływają na decyzje dotyczące wielkości instalacji, zastosowanej technologii. Zmiany w prawie mają również wpływ na przychody z tytułu produkcji i sprzedaży ciepła, energii elektrycznej, certyfikatów pochodzenia oraz uprawnień do emisji. Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie rodzajów instalacji objętych wspólnotowym systemem handlu uprawnieniami do emisji definiuje barierę wyłączenia z handlu uprawnieniami 20 MWt w dostarczonym paliwie. Źródła kogeneracyjne oparte o gazowe silniki tłokowe charakteryzują się dwukrotnie niższym stosunkiem uzyskiwanej mocy cieplnej do dostarczonej w paliwie niż kotły gazowe czy węglowe. W związku z tym instalując źródła kogeneracyjne i zachowując tą samą moc cieplną zakładu, rośnie moc dostarczana w paliwie. W zakładach ciepłowniczych posiadających moc zamówioną w przedziale MWt jest to znaczący czynnik ograniczający wielkość przyszłego układu kogeneracyjnego. Po przekroczeniu 20 MWt należy uwzględnić wpływ Rys.1. Zależność mocy termicznej dostarczonej w paliwie od zainstalowanej mocy elektrycznej silników mgr inż. Marek Fałtyn analityk do spraw energetycznych, TAWI Sp. z o.o., Warszawa 1/

2 Ź objęcia produkcji ciepła systemem handlu emisjami. Należy również przeanalizować dobór urządzeń i ich rozmieszczenie w systemie umożliwiając wyłączenia poszczególnych urządzeń z systemu handlu emisjami. Poniżej przedstawiono wykres sporządzony dla zakładu posiadającego moc zamówioną na ciepło 14 MWt. Projektowany układ składa się z silników gazowych oraz kotłów gazowych. Na wykresie pokazano wpływ zwiększenia mocy cieplnej silników gazowych na moc dostarczaną w paliwie w całej elektrociepłowni przy zachowaniu stałej mocy zamówionej. Biorąc pod uwagę obowiązujące prawo na wybór technologii ma wpływ lokalizacja inwestycji i związane z tym wymagania stref ochronnych oraz poziomy hałasu zarówno w dzień jak i w nocy. Sprawność urządzeń ma wpływ na zakwalifikowanie wyprodukowanego ciepła do wysokosprawnej kogeneracji. Sprawność urządzeń musi zapewnić oszczędność energii pierwotnej zużywanej w jednostce kogeneracji w wysokości nie mniejszej niż 10% w porównaniu z wytwarzaniem energii elektrycznej i ciepła w układach rozdzielonych o referencyjnych wartościach sprawności dla wytwarzania rozdzielonego. Znaczenie ma nie tylko nominalna sprawność elektryczna i ciepłownicza urządzeń, ale także ich zmiana w zależności od obciążenia urządzenia. Średnioroczna sprawność graniczna dla wytwarzania energii elektrycznej i ciepła łącznie dla silników gazowych wynosi 75%. W przypadku gdy średnioroczna sprawność ogólna spadnie poniżej sprawności granicznej, wytwórcy przysługuje obliczona wedle przepisów jedynie część certyfikatów pochodzenia. Aktualne przepisy prawa pozwalają również na łączenie certyfikatów żółtych i zielonych co może również zadecydować o wyborze technologii spalanego paliwa, urządzeń kogeneracyjnych i układów wspomagających. Akty prawne, które należy szczególnie wziąć pod uwagę przy planowaniu przyszłej inwestycji to: ustawa Prawo energetyczne, ustawa Prawo ochrony środowiska, ustawa o systemie handlu uprawnieniami do emisji gazów cieplarnianych, ustawa o efektywności energetycznej, rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie sposobu obliczania danych podanych we wniosku o wydanie świadectwa pochodzenia z kogeneracji oraz szczegółowego zakresu obowiązku uzyskania i przedstawienia do umorzenia tych świadectw, uiszczania opłaty zastępczej i obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w wysokosprawnej kogeneracji, rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii, rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeń z tytułu zaopatrzenia w ciepło, rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie rodzajów instalacji objętych wspólnotowym systemem handlu uprawnieniami do emisji. Uwarunkowania techniczne budowy nowych układów kogeneracyjnych Jak już wspomniano wcześniej na wybór technologii mogą mieć wpływ uwarunkowania prawne. Innym zagadnieniem jest współpraca nowego źródła z istniejącym systemem ciepłowniczym i zapewnienie odpowiednich parametrów ciepła oraz dyspozycyjności urządzeń. Oczywiście kluczowym zagadnieniem jest również wpływ dobranych urządzeń na uzyskiwany efekt ekonomiczny. Jak każde urządzenie techniczne, gazowe układy kogeneracyjne oparte o silniki gazowe mają ograniczenia natury konstrukcyjnej. Ograniczenia te dotyczą składu spalanego paliwa, dopuszczalnych zmian obciążeń oraz maksymalnych i minimalnych wartości temperatury czynników chłodzących. Istotne znaczenie ma to, iż ciepło w silnikach gazowych odzyskiwane jest na dwóch poziomach temperaturowych. Uzyskiwanie wysokich parametrów czynników grzewczych możliwe jest tylko przy odzysku ciepła ze spalin Rys. 2. które mają od 300 o C do 600 o C. Chłodząc blok silnika, miskę olejową czy mieszankę doładowaną trudno jest uzyskać wyższą temperaturę czynnika grzewczego niż 80 o C. Jednocześnie połowa ciepła w bloku kogeneracyjnym opartym o silnik gazowy pochodzi z źródła wysokotemperaturowego i druga połowa ze źródeł niskotemperaturowych. Przy sieciach wysokoparametrowych należy zatem zapewnić wspomaganie wytwarzania ciepła poprzez dodatkowy palnik gazowy na przepływie spalin Rys /2012

3 Rys. 6. bądź wpięty równolegle kocioł lub kotły ciepłownicze regulujące wymaganą temperaturę czynnika. Możliwe jest produkowanie pary technologicznej poprzez rozdzielenie odzysku ciepła z układów nisko i wysokotemperaturowych. Należy jednak pamiętać, że aby spełnić wymogi odnośnie do wysokosprawnej kogeneracji należy zapewnić również odbiór i celowe zużycie ciepła niskotemperaturowego. Stwarza to podstawy do rozpatrzenia zasadności budowy układu trikogeneracyjnego, gdyż ciepło z obiegu niskotemperaturowego może zostać użyte w chłodziarce absorpcyjnej lub adsorpcyjnej do produkcji chłodu. Parametry chłodu ograniczają się do uzyskania temperatury 6-8 o C, co przede wszystkim predysponuje je do wykorzystania w układach klimatyzacyjnych. Za każdym razem budowa Rys. 4. i zasadność takiego układu musi być potwierdzona analizą techniczno-ekonomiczną opłacalności inwestycji. Z powodu nierównomierności zapotrzebowania na ciepło nisko i wysokotemperaturowe należy rozważyć zastosowanie buforowego zasobnika ciepła niwelującego różnice w bieżącym zapotrzebowaniu na oba media. Zasobnik może także zezwalać na produkcję i akumulację ciepła w chwilach zmniejszonego zapotrzebowania na ciepło i oddawanie ciepła w chwilach gdy zapotrzebowanie Rys. 5. na moc cieplną przekracza nominalną moc cieplną urządzeń. Na rys. 2 przedstawiono krzywą pracy urządzeń naniesioną na krzywą potrzeb ciepłowniczych przy współpracy urządzeń kogeneracyjnych z buforem o pojemności cieplnej 80 GJ oraz krzywą poziomu naładowania buforowego zasobnika ciepła (rys. 3). Krzywe sporządzono dla pracy dwóch silników gazowych o mocy elektrycznej 2 MWe i założonej maksymalnej zmianie obciążenia jednego urządzenia 10 kwe/h. Na rys. 4 przedstawiono wykresy przedstawiające ładowanie i rozładowywanie buforowego zasobnika ciepła oraz poziom naładowania buforowego zasobnika ciepła dla układu rozdzielonego odzysku ciepła wysoko i niskoparametrowego (rys. 5). W przypadku gdy wymagana moc silnika z tytułu zapotrzebowania na gorącą wodę przewyższa wymaganą moc silnika z tytułu zapotrzebowania na parę technologiczną, część pary technologicznej przechodzi przez wymienniki para/woda. W tym przypadku moc silnika wynika z sumy zapotrzebowania na gorącą wodę i parę technologiczną. Gdy zapotrzebowanie na gorącą wodę przewyższa techniczne możliwości pracy silnika, zapotrzebowanie zostaje pokryte przez rozładowywanie buforowego zbiornika ciepła. Gdy ciepło zgromadzone w buforowym zbiorniku zostanie wyczerpane, włączane zostają kotły gazowe. W przypadku gdy wymagana moc silnika z tytułu zapotrzebowania na parę technologiczną przewyższa wymaganą moc silnika z tytułu zapotrzebowania na gorącą wodę, część gorącej wody zastaje zmagazynowana w buforowym zasobniku ciepła. Gdy buforowy zasobnik ciepła będzie pełen a moc silnika z tytułu zapotrzebowania na parę technologiczną nadal będzie przekraczać moc z tytułu zapotrzebowania na gorącą wodę, moc silnika zostanie zmniejszona do potrzeb wynikających z tytułu zapotrzebowania na gorącą wodę. Niedobór pary zostanie pokryty przez kotły gazowe. Gdy zapotrzebowanie na ciepło zakładu jest mniejsze niż techniczne możliwości pracy silników, a buforowy zasobnik nie jest pełen, moc elektryczna zainstalowanych agregatów zostaje zwiększona do nominalnej a nadmiar ciepła jest gromadzony w buforowym zasobniku ciepła do chwili jego napełnienia. Przedstawiono również wyniki ekonomiczne dla wybranego powyżej rozwiązania zasobnika (rys. 6). Biorąc pod uwagę użyte paliwo do zasilenia silników gazowych, najprostszym i najpowszechniejszym przykładem jest wykorzystanie wysokometanowego gazu ziemnego GZ50. Niemniej jak już wspomniano możliwe jest także użycie biogazu. Układ zasilany 1/

4 Ź Rys. 7. Rys. 9. Rys. 11. Rys. 12. Rys. 8. Rys. 10. przez biogaz jest dużo bardziej skomplikowanym i innowacyjnym układem. Inwestycja zazwyczaj wymaga budowy biogazowni wraz z układami oczyszczania biogazu przede wszystkim ze związków siarki. Wiąże się to z dużo wyższymi nakładami inwestycyjnymi ale także z wyższymi przychodami wynikającymi z dodatkowego wsparcia inwestycji zielonymi certyfikatami potwierdzającymi wyprodukowanie energii elektrycznej w odnawialnym źródle energii. Szczegółowego projektu wymaga sama biogazownia. Należy przewidzieć ilość i wartość opałową produkowanego biogazu w zależności od pory roku i składu wkładu biogazowni. Należy również pamiętać, iż przychody z pracy biogazowni nie są uzależnione od ceny gazu ziemnego GZ50 a od kosztów uzyskania biogazu, co inaczej kształtuje ryzyko inwestycyjne i zyski. Uwarunkowania ekonomiczne budowy nowych układów kogeneracyjnych Kluczowym zagadnieniem w budowie układów skojarzonych jest dobór wielkości układu kogeneracyjnego w stosunku do potrzeb ciepłowniczych i nakładów inwestycyjnych wynikających z mocy zainstalowanych urządzeń. Poniżej przedstawiono wykresy ekonomiczne dla zakładu ciepłowniczego o podanej krzywej ciepłowniczej oraz przyjętych rzeczywistych cenach ciepła, gazu, sprzedaży energii elektrycznej, serwisu urządzeń, nakładów inwestycyjnych, kosztach kredytu. Zagadnieniem, które należy również rozpatrzeć jest dyspozycyjność urządzeń 30

5 i w związku z tym dobór mocy pojedynczych jednostek kogeneracyjnych w całym systemie. Odpowiedni dobór mocy pozwala zapewnić ciągłość pracy układu bez wyłączania wszystkich urządzeń, gdy zapotrzebowanie na ciepło jest mniejsze niż mnimalne obciążenie pracy pojedynczego urządzenia. Zwiększenie ilości jednostek pozwala także zwiększyć niezawodność pracy układu. Prace serwisowe mogą odbywać się cyklicznie bez przestojów w pracy całego układu. Na rys. 7, 8, 9, 10 przedstawiono wykresy pracy urządzeń naniesione na krzywą potrzeb ciepłowniczych. Rys. 13. Ryzyko inwestycyjne Celem określenia ryzyka inwestycyjnego zasadne jest wykonanie analiz wrażliwości inwestycji. Analiza wrażliwości ma za zadanie pokazać zmianę NPV w funkcji kluczowych z punktu widzenia inwestycji parametrów: ceny gazu, ceny sprzedaży energii elektrycznej, ceny sprzedaży ciepła (rys. 11, 12, 13). W przykładowej analizie poddano zmianę ceny gazu za paliwo, jednocześnie pokazując jak zmieni się całkowity koszt pozyskania paliwa (wraz z przesyłem). Podsumowanie Układy kogeneracyjne oparte o gazowe silniki tłokowe stanowią bardzo atrakcyjne ekonomicznie źródło wytwarzania ciepła. Złożoność przepisów prawnych oraz potrzeba uwzględniania technicznych parametrów pracy układu powoduje, iż analiza rentowności budowy układów kogeneracyjnych jest zadaniem złożonym. Analiza taka powinna być wykonana przy uwzględnieniu specyfiki danego zakładu. Należy jednak zaznaczyć iż korzyści wynikające z informacji wynikających z takiego opracowania znacząco przewyższają poniesione koszty i pozwalają dobrać źródło przynoszące największy zysk ekonomiczny oraz bezpieczeństwo pracy. Szczegółowa analiza może również pomóc w poczynieniu odpowiednich kroków celem realizacji inwestycji, organizacji przetargu a także pomóc w wyborze dostawcy urządzeń lub negocjacji warunków umowy z partnerem prywatnym.